MIT研究组实现超低功耗aJ/bit的硅基调制器

MIT研究小组基于硅光波导中的光伏效应，实现了每比特阿焦级的电光调制器，创造了新的低功耗调制器记录，相关的工作发表于近期的Nature Communication 12, 2326(2021) (https://www.nature.com/articles/s41467-021-22460-1) 。

受限于硅材料较弱的电光效应，调制器工作时需要较大的驱动电压，因此硅基调制器的典型功耗在fJ/bit以上，如下图所示(蓝色标记为硅基调制器，红色标记为基于其他材料的调制器)。

（图片来自文献1）

典型的工作电路如下图所示，调制器等效为一个二极管，

（图片来自文献1）

驱动电路通过对二极管的电容进行充放电，实现对光信号的调制，其功耗满足下式，

当光在硅波导中进行传输时，其折射率受外部电信号的影响而发生变化，再通过光学干涉结构，即可实现对光信号的调制。在这一过程中，由于界面态吸收和sub-bandgap吸收等物理效应，部分光信号会被硅吸收产生自由载流子。这部分额外的载流子可以用于对调制器供电，从而降低调制器的功耗。其工作原理如下图所示，

（图片来自文献1）

在小的输入电压时，晶体管处于off状态，调制器两端的电压为PV cell两端的电压Voc, 当输入电压增大到大于Vth时，晶体管处于on状态，产生的光电流全部从晶体管处流出，此时调制器两端电压为0。Vmod与输入电压的变化曲线如下图所示，

（图片来自文献1）

从上面的曲线可以看出，曲线中间有一段区域调制器两端的电压随晶体管两端的电压快速变化，导致调制效率的提高。可以通过调节增益点的大小(bias点)，改变调制器的带宽和功耗，如下图所示，典型的3dB带宽为1GHz左右，

（图片来自文献1）

实验中为了增加光吸收，采用了外延生长的SiGe波导，宽度为300nm, 对应的响应率为34mA/W。采用GlobalFoundries的45nm硅光工艺线，PN结采用交错型的结构，微环的半径为5um，宽度为1.2um，如下图所示，

（图片来自文献1）

由于采用的是单片集成工艺，晶体管就在调制器附近，通过金属相连。下图为不同情况下的输出信号与眼图，

（图片来自文献1）

在相同的100mVpp情况下，PV型调制器的OMA是传统调制器的10倍，ER也是传统调制器的十倍多，功耗只有传统调制器的1/6，插损为2.44dB。

简单小结一下，利用硅材料对光吸收所产生的自由载流子，对调制器进行供电，变废为宝，大大降低了调制器的功耗。对于大规模集成光路，功耗低尺寸小的调制器是核心技术之一。MIT这一极低功耗的调制器设计为大家开辟了一个新的思路。此外，利用光伏效应，波导内光电流的变化也可以用于监控波导内光强的变化。

参考文献：

1. M. de Cea, et.al., "Energy harvesting optical modulators with sub-attojoule per bit electrical energy consumption", Nat. Commun. 12,2326(2021)